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      基于Matlab 對漿液噪聲影響電磁流量計測量的分析

      來源:www.autoinssave.com作者:發表時間:2011-03-11 10:08:34

      摘要:介紹了漿液型電磁流量計的發展及其在工業中的重要地位,在漿液測量中,由于漿液噪聲疊加在實際的流量信號中造成了測量的誤差。為了更好地掌握漿液噪聲的特性, 通過不加勵磁激勵的電磁流量計采集漿液噪聲, 然后通過Matlab 信號處理工具箱對在不同流速下采集到了漿液噪聲信號進行分析,得出了漿液噪聲近似符合1 / f 分布的特性,并對采集的數據進行了概率密度分析得出了漿液噪聲幅值近似高斯分布的特點。通過對漿液噪聲的分析進一步確立了電磁流量計如何克服漿液噪聲的方案,對漿液測量起到了積極作用。

                漿液的測量在造紙、礦物加工、化工等工業非常重要的應用。由于電磁流量計測量管道內無阻擋體、耐腐蝕性強、可靠性強且不受流體密度、粘度、溫度、壓力變化的影響,而且隨流速變化能快速響應的特點,在漿液的測量中通常選用電磁流量計。但是在測量漿液時,漿液中的固體顆粒會隨機劃過電磁流量計的電極,電極上的感應電壓產生尖峰跳變,使測量結果發生劇烈波動,該尖峰噪聲稱作漿液噪聲。為了提高漿液的測量精度需對漿液噪聲有一個更加全面的認識。

      1 漿液型電磁流量計概述

                Yoshinori Matsunaga等人提出了雙頻勵磁的方法,即通過一個低勵磁頻率(6.25Hz)和高勵磁頻率(大約100Hz)的相互疊加對勵磁線圈進行勵磁,用各自的頻率定時檢波,通過適當的濾波器去掉噪聲之后, 再將兩個信號合成求出流量信號。Ichiro Wada提出了雙激勵單元的電磁流量計,很好激勵單元提供4~8Hz 的勵磁頻率產生很好感應信號,第二激勵單元提供25~35Hz 的勵磁頻率產生第二感應信號,校準電路分別對兩個信號進行濾波和校正, **后根據流量的狀態選擇以哪一個信號作為**終的流量信號, 一般常規狀態下選擇低頻勵磁的信號作為流量信號,特殊狀態下選擇高頻勵磁的流量信號。上述兩種方案不僅能有效地克服漿液噪聲而且能保證零點的穩定性, 但是兩者都未披露技術上如何實施的具體細節。

                Ke-Jun Xu等人提出了一種結合統計分析和數值匹配的方法對信號重構的處理算法處理電磁流量計傳感器測量漿液的輸出信號,該方法采用25Hz 方波對電磁流量計勵磁,對信號進行幅值解調、幅值概率密度的計算得出漿液信號的概率密度滿足近似高斯分布,于是采用中值濾波的方法對數據進行篩選,然后對重構的信號梳妝濾波,**后滑動濾波輸出信號幅值,還提出了基于SWT 對周期信號中非平穩噪聲的分離方法在電磁流量計中的應用, 通過分離周期信號中遵循1 / f 分布的較強的非平穩噪聲(漿液噪聲)來實現漿液流量的測量。Liu TD等人提出了一種分時的雙勵磁頻率的方法, 該方法將分時使用6.25Hz、75Hz 方波進行勵磁, 并通過6.25Hz 勵磁下提取的信號來補償75Hz 勵磁時出現的零點漂移, 結果表明該方式能在寬量程下提高測量的精度。但是上述文獻對漿液噪聲基本的特性分析比較少, 本文主要目的則是通過實驗采集不含流量信號的漿液噪聲,并利用Matlab 對其基本特性進行分析。

       

      2 漿液噪聲的分析

      2.1 漿液噪聲的采集

             為了采集漿液噪聲信號,在漿液實驗平臺上進行實驗,如圖1 所示,該實驗平臺由混合罐、水泵、閥門、管道、砂漿、橫河電磁流量計、上海大學自主研發的電磁計組成。其中混合罐的長約512mm、寬約346mm、高約594mm,管道直徑為40mm,通過調節閥門可以改變流體的流速, 測量管道的**大流速可達到4m/ s,將橫河分離式電磁流量和三暢儀表的電磁流量計串聯在一個管道上, 把橫河的電磁流量計作為參照表, 其測量精度為0.35%,實驗中的被測流體為不同濃度的砂漿。本實驗中的被測流體為砂、水質量比4 / 150 的砂漿,考慮到流速太小漿液噪聲不明顯以及本實驗設備可調流速的局限性, 本實驗在漿液的流速分別為3m/ s、2m/ s、1m/ s 時進行測量。

       漿液實驗平臺示意圖

             為了提取不含流量信號的漿液噪聲, 該實驗中不對傳感器線圈進行勵磁, 直接將傳感器兩個電極的信號接入轉換器后經儀表放大器AD8220 放大,如圖2 所示,根據之前的研究表明漿液信號輸出大概是毫伏級別, 所以根據AD8220 的特性確定該放大器的一個大致的放大倍數為500 倍左右, 可以使輸出的漿液噪聲信號接近真實流量信號的數量級, 根據之前的研究可知漿液噪聲頻率主要分布從幾Hz 到幾百Hz,綜合考慮示波器的采樣頻率,先通過低通濾波器濾掉信號中頻率高于250Hz 的部分,示波器的采樣頻率為500Hz,采樣的時間為20s,采樣的數據長度為10000 個點, **后利用Matlab 對采集到的數據進行頻譜分析。

       漿液噪聲信號采集示意圖

      2.2 分析過程

             為了高效地處理分析采集到的漿液噪聲的信號, 本文利用了Matlab 信號處理工具箱中的histfit 得出在不同流速下漿液噪聲電壓幅值的概率分布,因為漿液噪聲是一種隨機變量,本文利用pwelchd 得出其功率譜密度在不同流速下的分布曲線。

             圖3 中分別為3 個流速下漿液噪聲的時域波形圖, 可以看出隨著流速的提高,漿液噪聲越來越大,且漿液噪聲明顯帶有隨機性, 通過histfit 和pwelchd 分別得到個流速下的信號概率分布情況以及概率分布密度,如圖4、圖5 所示。從圖4 中可以看出漿液噪聲的幅值致符合高斯分布, 這可以為以后對漿液噪聲的仿真提供參考依據, 圖5 中的3 條曲線分別是在3 個不同流速下的功率譜密度分布曲線, 從圖中可以看出漿液噪聲主要分布在低頻段,且分布大致符合1 / f 特性。隨著流速的變化,功率譜密度分布的曲線也呈現一個平移的趨勢,即流速增大,曲線向上平移。

      3 結束語

             本文基于Matlab 對采集到的漿液信號進行了概率分布分析以及功率譜密度分析, 可以看出漿液噪聲是一個隨機分布的信號,其分布大致符合1 / f 特性,所以可以把提高電磁流量計的勵磁頻率作為克服漿液噪聲的一種手段。從漿液噪聲概率分布可的出漿液噪聲的強度近似符合高斯分布, 在今后的研究中可以作為模擬漿液噪聲的一個依據。

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